除铁除锰生物滤层最优化厚度的探求

除铁除锰生物滤层最优化厚度的探求

李冬¹，张杰²，王洪涛¹，尹晓君³
（1.清华大学 环境科学与工程系，北京 100084；2. 哈尔滨工业大学 市政环境学院， 黑龙江 哈尔滨 150090；3. 恒迅科创置业有限公司，北京 100053）

　　摘要：除铁除锰生物滤层厚度的确定是与地下水水质密切相关的。不同铁、锰浓度的含铁含锰地下水，所要求生物滤层的厚度也不尽相同。对于铁、锰含量较低的地下水，滤层的厚度通常采用700~1000mm即可，而对于高含铁含锰的地下水处理，生物滤层相应地要增厚至1000~1300mm。
　　关键词：铁；锰；生物滤层；厚度；最优化

The Study on the Optimization of the Filter Thickness for Biological Removal of Iron and Manganese

LI Dong¹, ZHANG Jie², WANG Hong-tao¹，YIN Xiao-jun³
(1.Dept of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,China；2. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090,China；3. E.C.S. LReal Estate Co., Ltd Beijing 100053)

Abstract：The thickness of the biological filter for iron and manganese removal is connected with the quality of the groundwater. The depth is different for the groundwater with different concentration of Fe²⁺ and Mn²⁺. The depth of the filter is 700~1000mm for the groundwater with low concentration of Fe²⁺ and Mn²⁺. It should be increased to 1000~1300mm for the groundwater with high concentration of Fe²⁺ and Mn²⁺.

　　过对除铁除锰滤料表面的生物膜的分析可知，只有直接附着在滤料表面的铁、锰氧化细菌才是滤层除铁除锰能力的稳定提供者，然而贫营养环境条件决定了生物膜稀疏而且薄，因此滤料的数量在很大程度上决定了滤层内的生物量[1]。而滤料的数量是由滤池的面积和滤层的厚度所决定的。因此，决定滤层内细菌数量的最终因素是滤料的面积和滤层的厚度。然而现代经济模式决定了土地价格的昂贵，这就使得滤池的面积应尽量地缩小。所以真正决定滤层内细菌数量的因素就只有滤层的厚度。形式上看滤层的厚度越大，细菌数量就越多，实际情况是否是这样将通过以下的试验说明。

1 材料与方法

1.1 试验装置
　　模型试验中以有机玻璃滤柱模拟实际生产中的滤池。滤柱直径DN=250mm，高H=3000mm，以粒径d=0.8~1.2mm的石英砂为滤料，滤层厚1100mm。以粒径d=1~2mm的卵石为垫层，垫层厚300mm。以喷淋曝气代替生产中的跌水弱曝气。试验装置如图1所示。
1.2试验水质和运行参数
　　滤柱试验原水为人工配制的含铁含锰水。经喷淋曝气后，水中溶解氧浓度控制在4~5mg/L，以滤速5m/h，反冲洗强度11L/(s•m²)，反冲洗时间3min，工作周期48h的运行参数运行。 生产试验的水源水为天然的含铁含锰地下水，兰西县生物除铁除锰水厂水源水含铁量为10~14mg/L，含锰量为0.65~1.1mg/L，是罕见的高铁高锰地下水。

　　试验中分析项目主要有Fe²⁺、Mn²⁺、DO、Fe³⁺等均采用国家标准分析方法^[2]。
1.3 试验方法
　　细菌计数：沿成熟生物滤柱滤层不同深度取滤砂5mL，将滤砂表面的铁、锰氧化细菌剥落。制成高浓度的菌悬液。将该菌悬液作系列的梯度稀释，然后接种到液体培养基中，该培养基的制作方法略。每一个稀释度作三个平行样。将已接种的液体培养基在25℃恒温培养14天，观察阳性反应，最终用MPN法计数。

2 结果与讨论

2.1 生物滤层中细菌数量的沿层变化
　　成熟的除铁除锰生物滤柱内沿滤层不同深度细菌数量的检测结果如图2。
　　从图中可见，成熟生物滤柱内铁、锰氧化细菌的数量沿滤层的分布是不均匀的。在滤层表面，铁、锰氧化细菌的数量高达2×10⁶个/（mL滤砂），随着深度的增加，细菌的数量逐渐减少，到滤层深处的740mm处，细菌数量下降到100个/（mL滤砂）。同样对生产滤池不同深度的滤层取样，测定滤砂表面附着的细菌数量，其结果如图3。生产滤池滤层表面的细菌数量接近1.4×10⁵个/（mL滤砂），随着深度的增加，细菌的数量直线下降，到滤层深处的300mm处，细菌数量下降到2×10⁴个/（mL滤砂）。
　　通过对滤层不同深度出水中铁、锰含量的检测得到如下的结果，如图4所示。

　　滤层不同深度铁、锰的去除率见图5。由图5中曲线可知，铁的去除率在2号取样口处（滤层深度的40cm）已在90％以上，而锰的去除率则到4号取样口（滤层深度的80cm）才达到80％以上，5号取样口（滤层深度的100cm）达到95％以上，到6号取样口（滤层深度的120cm）则铁、锰去除率都接近100％，而且水质稳定。
　　综合图4、5显然可见：大量Fe²⁺都是在滤层深度的0~40cm之内去除的，在表层20cm之内去除率就达70％，在滤层深度的40cm之下，Fe²⁺的去除率曲线变得较平缓。而Mn²⁺大部分是在滤层深度的20~80cm之内去除的。
2.3 生产滤池的滤层厚度
　　铁、锰氧化细菌及铁、锰去除量的沿层分布，说明了在生物除铁除锰滤层内，存在着除铁带与除锰带，上层为除铁带，下层为除锰带。但两带之间并无明显的界限，而是相互渗透的。滤层中锰的生物氧化需要Fe²⁺，但需求量很低，大量的铁是在滤池的表层去除的，其生成物Fe₃O₄·mH₂O充填着滤料间的空隙并包裹着滤砂的表面，因而防碍了铁、锰氧化细菌在滤砂上的黏附及与Fe²⁺、Mn²⁺的接触，只有到滤层的中下部，在Fe²⁺氧化产物稀少的区域（20~40cm），铁、锰氧化菌在含有少量的Fe²⁺和丰富的Mn²⁺底物的环境条件下，其代谢才逐渐旺盛起来，锰的去除率直线上升。原水中Fe²⁺浓度越高，其所需要的氧化空间（滤层厚度）越大，势必将除锰带推向下层，这样就增加了生物除铁除锰滤层的有效厚度，所以根据原水水质条件，滤层应有一个必要厚度。但滤层的厚度过大，对于铁、锰含量一般的地下水，会有相当一部分滤层空间被浪费，是不经济的。这是因为滤层深处细菌量极少，甚至没有细菌的存在，对除锰也是无效的，因而生物除铁除锰滤层存在最佳的滤层厚度。所以，除铁除锰生物滤层厚度的确定是与地下水水质密切相关的。不同铁、锰浓度的含铁含锰地下水，所要求生物滤层的厚度也不尽相同。对于铁、锰含量较低的地下水，滤层的厚度通常采用700~1000mm即可，而对于高含铁含锰的地下水处理，生物滤层相应地要增厚，兰西县生物除铁除锰水厂的运行实例就证明了这一点。
　　兰西县的生物除铁除锰水厂水源水含铁10~14mg/L，含锰0.65~1.1mg/L。水厂滤层厚度的设计值为1000mm，滤层在2003年11月份接种，到2004年3月初已经运行了4个月，从出水水质分析，锰平均去除率都在40％以下，而且上升的幅度缓慢，于是在2004年3月6日将其滤层厚度增加到1300mm。图6是兰西水厂2004年3月份生产滤池出水水质情况。
　　由图可见，添加滤料后的最初一周内，由于进水锰浓度的提高，滤层出水锰浓度也在增加，去除率下降。但滤层对锰离子的去除量没有变化，说明新增滤料尚未发挥作用，但到3月14日短短一个星期后，滤层的除锰能力出现了飞跃，从30％升高到50％。这说明新添加的滤料对了除锰能力的提高起到了促进作用。

　　由图可见，添加滤料后的最初一周内，由于进水锰浓度的提高，滤层出水锰浓度也在增加，去除率下降。但滤层对锰离子的去除量没有变化，说明新增滤料尚未发挥作用，但到3月14日短短一个星期后，滤层的除锰能力出现了飞跃，从30％升高到50％。这说明新添加的滤料对了除锰能力的提高起到了促进作用。事实上，由于定期的反冲洗，使新滤料与原有的未成熟滤料充分混合，一段时间后，部分新滤料也有铁、锰氧化细菌的生长，这在一定程度上，加大了生物滤层空间，提高了生物量，因而导致除锰率的上升。说明原水水质与生物滤层厚度存在一定的内在联系。在我们设计的几座生物除铁除锰水厂，根据原水水质，采用了不同的滤层厚度，见表1。其中4座水产已经投产运行，运行状况良好，证明所选的滤层厚度基本正确。
　　从表中数据不难发现，含铁量较高的水源水要求的滤层厚度都较大。以吉林东丰水厂和兰西水厂为例。两水厂水源水中锰含量相当，分别为0.9mg/L和1.0mg/L，而铁含量相差甚大，分别为7.0mg/L和14.0mg/L，生物滤层的厚度分别为1000mm和1300mm。而对于沈阳开发区水厂的含铁量小于0.3mg/L这样极低的地下水，尽管含锰量1.0~2.0mg/L，滤层厚度仅为900mm仍能实现铁、锰的深度去除。因此可以说，水源水中铁含量的差别将导致滤层厚度的差异，对于含铁量较高的水源水，滤层厚度相应地增加会提高生物量，而对于含铁量较低的水源水滤层厚度的增加则是多余的。

目前设计运行的生物除铁除锰水厂的滤层厚度　　　　 表1
The depth of filter bed in water plant for biological removal of iron and manganese　 Table 1

3 结论

　　生物滤层厚度的选择是与原水水质密切相关的，工程中生产滤池的厚度在700~1300mm之间，对于铁锰含量一般的地下水生物除铁除锰滤池的厚度一般在1000mm左右；含铁量较高的地下水要求的滤层厚度都较大，通常为1000~1300mm。对于含铁量较低的地下水，滤层厚度都较小一般为700~1000mm。

参考文献：

[1] 李冬. 生物除铁除锰理论与工程应用技术研究.博士学位论文.北京工业大学.2004
[2] 水和废水监测分析方法. 国家环保局. 中国环境科学出版社, 1988:381~389

作者简介：李冬（1976- ），女，辽宁丹东人，清华大学环境科学与工程系博士后。